De todos los líquidos, el agua tiene una tensión superficial extremadamente alta debido a la fuerte unión de sus moléculas. La tensión superficial se debe a las fuertes interacciones de cohesión entre las moléculas de un líquido. Una gota de agua en una hoja es un ejemplo de tensión superficial. La tensión se forma en la superficie de la gota de agua porque todas las moléculas tiran unas de otras por igual en todas las direcciones causando una fuerza neta igual a cero.
Las tasas de infiltración y percolación del agua en el suelo pueden ser bajas o desiguales porque las moléculas de agua se atraen mucho más entre sí que a las partículas del suelo.
Cuando la infiltración del agua es baja, esta se acumula en la superficie del suelo en lugar de permeabilizar hacia abajo a través del suelo hasta la zona radicular. El agua se desperdicia en la evaporación, la escorrentía o ambas. Una baja percolación conlleva una menor cantidad de agua que atraviesa el perfil del suelo hasta llegar a las raíces, lo que hace que estas sufran.
Las raíces de las plantas solo pueden crecer donde hay agua. La falta de agua da lugar a sistemas radicales poco profundos y a cultivos extremadamente susceptibles a la sequía y a otros factores de estrés ambiental.
El exceso de agua provoca la muerte de las raíces por falta de oxígeno, el cual es necesario para que los cultivos absorban los nutrientes y el agua. Si las suelos no reciben suficiente oxígeno, se vuelven menos permeables, toman menos agua y las raícesya no absorben los nutrientes adecuadamente. Si la privación de oxígeno continúa, las plantas comienzan a morir de hambre por falta de nutrientes, las raíces mueren y el crecimiento de los cultivos se retrasa.
Para entender la importancia que tiene la reducción de la tensión superficial del agua para la sanidad de los cultivos, es importante explicar la textura del suelo y su relación con la infiltración, la percolación y la capacidad de retención de agua de los suelos.
Todos los suelos se definen por su textura, o porcentaje de partículas minerales de arena, limo y arcilla. Los suelos con altos porcentajes de partículas de arcilla tienen tasas de infiltración y percolaciones lentas. Las partículas del suelo arcilloso son minerales muy finos y de forma plana que se asemejan a la estructura de los ladrillos, lo que reduce la capacidad de infiltración del agua. También tienen una gran capacidad de retención de agua porque esta se mantiene cerca de las partículas de arcilla.
Los cultivos que crecen en suelos muy arcillosos tienen dos problemas potenciales. En primer lugar, es posible que no reciban suficiente agua porque esta no puede penetrar en la superficie del suelo y, en cambio, se acumula en la superficie y se desperdicia por la evaporación, la escorrentía o ambas. En segundo lugar, cuando la infiltración de agua se produce, disminuye muy lentamente y el agua se mantiene más tiempo en el perfil del suelo. Esto puede provocar anegamiento que inhibe el crecimiento de las raíces finas y produce su muerte.
Este es también el caso de los suelos muy compactados en los que hay poco o ningún espacio poroso entre los agregados del suelo. La compactación del suelo se define como la reducción de la estructura del suelo debido a la compresión de sus agregados, lo que elimina el espacio poroso disponible. La compactación del suelo se produce de forma natural en suelos muy arcillosos y también está causada por ciertas prácticas agrícolas y de construcción.
Los suelos también pueden volverse hidrofóbicos cuando contienen grandes cantidades de hidrófobos: moléculas orgánicas que repelen el agua y que son el resultado de las interacciones de los microorganismos con los materiales orgánicos. Cuanto mayor sea la naturaleza hidrofóbica (que repele el agua) de un determinado suelo, menor será la tasa de infiltración del agua.
Los suelos con grandes cantidades de partículas de arena son similares a los suelos hidrofóbicos porque la textura cerosa de la arena reduce su capacidad de retener agua. Los suelos arenosos tienen una baja capacidad de retención de agua con altas tasas de infiltración y percolación. Un reto potencial de los suelos arenosos es que los productores tienen que utilizar más agua a fin de mantener el agua disponible en la zona radicular para que las raíces de las plantas la absorban.
Los suelos ideales son los denominados francos y suelen tener una pequeña cantidad de partículas de arcilla con una buena mezcla de arena y limo, otra partícula mineral del suelo.
Para reducir los problemas de infiltración y percolación del agua a través del suelo, resulta útil proporcionar a las plantas agua de riego con una baja tensión superficial. La infiltración eficiente del agua en la zona radicular es fundamental para que las células de las raíces absorban una gran cantidad de agua, nutrientes y oxígeno, lo que se traduce en una mayor tasa de crecimiento y un mayor rendimiento de los cultivos.
Los medios tradicionales para reducir la tensión superficial del agua se realizan mediante la aplicación de tensioactivos químicos, que son costosos y presentan posibles problemas medioambientales. El uso de nanoburbujas sin productos químicos disminuye eficazmente la tensión superficial del agua de riego y también proporciona otros beneficios económicos que mejoran la sanidad de los cultivos, aminoran la presión de las enfermedades y aumentan el rendimiento.
Las nanoburbujas en el agua actúan como un tensioactivo sin productos químicos para disminuir las fuerzas intermoleculares del agua. Los tensioactivos, o agentes tensioactivos , , por naturaleza, disminuyen la tensión superficial, aumentando las propiedades de dispersión y humectación.
Las nanoburbujas miden entre 70 y 120 nanómetros de diámetro, aproximadamente son 2500 veces más pequeñas que un grano de sal. Gracias a su flotabilidad neutra, se mueven de forma aleatoria y continua por el agua y en todos los puntos de un sistema de riego mediante un movimiento browniano.
Las nanoburbujas tienen una alta presión interna y una superficie dura. Cuando estallan, rompen la tensión superficial del agua. Cada nanoburbuja suele permanecer suspendida durante meses antes de acabar desintegrándose, pero con la típica concentración de cientos de millones de nanoburbujas por mililitro de agua, el estallido se produce a un ritmo constante.
Además, el movimiento de las nanoburbujas y su carga positiva reduce el tamaño de los racimos de moléculas de agua, lo que también potencia la infiltración.
El agua con una tensión superficial reducida también se comporta de forma diferente en la superficie del suelo en comparación con el agua que tiene una tensión superficial alta. Como se muestra a continuación, el agua con una tensión superficial reducida tiene un «ángulo de contacto» menor con la superficie del suelo, una característica que se traduce en una mejor penetración y distribución del agua en los suelos hidrofóbicos:
El agua con una tensión superficial reducida también tiene una mayor capacidad para penetrar en las zonas de suelo compactado, lo que evita el encharcamiento, la evaporación y la escorrentía.
Junto con la reducción de la tensión superficial del agua, el agua de riego tratada con nanoburbujas también provoca un aumento de la floculación del suelo, donde las partículas individuales de arcilla se unen en agregados más grandes. El resultado es una menor compactación del suelo, una mejor infiltración del agua y un mayor desarrollo de las raíces.
Kapicua se asoció con un productor de arándanos en Chile para probar el agua de riego enriquecida con nanoburbujas desde julio de 2020 hasta abril de 2021 a fin de analizar la mejora de la estructura del suelo mediante la tecnología de nanoburbujas. Un generador de Moleaer inyectó nanoburbujas en el depósito principal del sistema de riego y proporcionó un aumento del 50 % del oxígeno disuelto.
En general, registraron una reducción del 20 % en la compactación del suelo en comparación con la zona no tratada. Esta menor compactación dio lugar a una mejor infiltración del agua y a un mayor desarrollo de las raíces, lo que permitió aumentar el crecimiento de nuevos brotes, incrementar el tamaño y la calidad de los frutos y mejorar la tasa de maduración.
Las propiedades químicas y físicas únicas de las nanoburbujas en el agua de riego también proporcionan otros muchos beneficios para los cultivos.
Las nanoburbujas controlan las algas y los organismos patógenos de tres maneras:
Gracias a su movimiento constante y a su acción oxidante, las nanoburbujas también desgastan físicamente los depósitos de biofilm en las reservas de agua y en las tuberías de riego, al tiempo que evitan que se vuelvan a formar. El biofilm está muy presente en la mayoría de las superficies que están en contacto frecuente con el agua y puede albergar patógenos. El uso de nanoburbujas también da lugar a un menor retrolavado (y menos tiempo de inactividad) en la gestión de los filtros de medios.
La carga positiva de las nanoburbujas aumenta la dispersión de los iones y consigue así una concentración de nutrientes más homogénea.
La oxigenación garantiza la función sistema radical óptima. Es decir, si el oxígeno disponible para las células de la raíz es limitado, estas se ven limitadas en la cantidad de energía celular (ATP) que pueden producir, limitando a su vez su tasa de absorción de agua y nutrientes, lo que limita directamente la tasa de crecimiento general del cultivo y el rendimiento final de la cosecha.
En el caso del arroz, un estudio reciente descubrió que el suministro a los cultivos de agua tratada con nanoburbujas «aumentó los genes de absorción de nutrientes OsBT, PiT-1 y SKOR de las plantas, lo que resultó en una mayor absorción y utilización de nutrientes por las raíces». Las nanoburbujas también estimulan la síntesis de la hormona del crecimiento, giberelina. Este equipo de científicos concluyó que las nanoburbujas «mejoran significativamente la altura de las plantas y la longitud de las raíces».
El agua de riego con menor tensión superficial se infiltra eficazmente en el suelo en la zona radicular, lo que permite una alta tasa de absorción de agua/nutrientes y, en consecuencia, mayores tasas de crecimiento y mayor rendimiento de los cultivos.
El uso de nanoburbujas disminuye eficazmente la tensión superficial del agua y, al mismo tiempo, proporciona otros beneficios económicos que mejoran la sanidad de los cultivos, aminoran la presión de las enfermedades y aumentan el rendimiento.